CORSO PRECONGRESSUALE 1

Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno

Centro Congressi Torino Incontra, Torino. Mercoledì 4 Ottobre 2017

ORGANIZZATORIAlberto Botter, Politecnico di Torino

Taian Vieira, Politecnico di TorinoIsabella Campanini, AUSL di Reggio Emilia

Andrea Merlo, Università of Modena and Reggio Emilia

Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno

Registrazioni EMG multicanale e non: verso lo sviluppo di strumenti user-friendly

Giacinto Luigi Cerone, Ph.D Candidate

LISIN – Laboratorio di Ingegneria del Sistema NeuromuscolareDipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni

Politecnico di Torino

Centro Congressi Torino Incontra, Torino, 4 Ottobre 2017

ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG

SCOPO: Prelevare, visualizzare e registrare il segnale elettrico generato dai muscoli durante una contrazione

Interfaccia tra

cute e sistema di

prelievo

Collegano gli

elettrodi al

sistema di

prelievo

• Amplifica il segnale

elettrico in ingresso;

• Riduce i disturbi presenti

sul segnale;

• Trasforma il segnale in

numeri (digitalizzazione)

• Visualizza il segnale su uno schermo;

• Registra il segnale;

• Elabora il segnale;

Muscolo

Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e

digitalizzazione

SISTEMA DI ACQUISIZIONE

ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG – TIPOLOGIE DI SISTEMI

SISTEMA DI ACQUISIZIONE

• Prelievo bipolare;

• Costituiti da moduli identici;

• Pochi canali di acquisizione (1

- 4);

• Piccoli e leggeri;

LOW DENSITY HIGH DENSITY

• Prelievo monopolare;

• Monolitico;

• Molti canali di acquisizione (32-

400);

• Ingombranti e pesanti;

ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI

A COSA SERVONO?

• Interfaccia tra cute e sistema elettronico di prelievo

• Trasformano correnti ioniche (presenti nel corpo) in correnti elettroniche (acquisibili dal circuito) – Trasduttore

TIPOLOGIE

• Contatto mediato da gel o no (secco);

• Supporto Adesivo/non Adesivo/Tessile;

MATERIALI E STRUTTURA

• Elemento trasduttore Ag/AgCl – Ag;

• Elemento di interfaccia cute/trasduttore;

• Supporto;

Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e

digitalizzazione

PROBLEMI COMUNI LEGATI AL SISTEMA ELETTRODO-CUTE

IMPEDENZA ELETTRODO-CUTE

• Proprietà che descrive il comportamento del sistema composto da elettrodo e cute al passaggio di cariche

elettriche

• È inversamente proporzionale alla superficie dell’elettrodo elettrodi grandi = imp. Bassa e viceversa

PROBLEMI CORRELATI

• Se alta può compromettere la qualità dell’acquisizione;

• Se differisce significativamente (>10%) tra due elettrodi aumenta la sensibilità del sistema all’interferenza di

rete;

• Movimento relativo tra elettrodi e cute Provoca la comparsa di artefatti da movimento;

ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI

ALCUNE SEMPLICI SOLUZIONI PER RISOLVERE QUESTI PROBLEMI

Sol. legate alla cute;

Sol. legate alla tecnologia costruttiva dell’elettrodo

Riduzione dello strato corneo della cute (scrubbing) e depilazione

Diminuisce l’impedenza elettrodo-cute migliora le prestazioni del sistema complessivo in termini di

qualità del segnale acquisito e reiezione dell’interferenza di rete;

Aderenza degli elettrodi alla cute mediante supporto adesivo

Riduce gli artefatti da movimento, limitando lo scorrimento relativo tra elettrodi e cute;

Massimizzazione della superficie di contatto tra elettrodi e cute tramite gel o paste conduttive

Aumenta la superficie di contatto tra elettrodi e cute, diminuendo quindi l’impedenza

• Nei sistemi ad alta densità di elettrodi (di piccole dimensioni) è necessario preparare

nel miglior modo possibile la cute del soggetto in modo da ridurne l’impedenza

all’interfaccia con gli elettrodi

ELETTRODI PRE-GELLATI

CARATTERISTICHE

• Diametro: 1-2 cm;

• Materiale: Ag/AgCl

• Supporto: adesivo;

• Gel conduttivo posto tra elettrodo e cute;

• Costo per elettrodo: 0,1€;

Utilizzo principale: Prelievo del segnale EMG in modalità bipolare

• Bassa impedenza elettrodo-cute (modulo <10kΩ @ 50Hz) segnali di buona qualità

• Facilità di utilizzo e applicazione;

• Riduzione degli artefatti da movimento dovuti a scorrimento tra elettrodi e cute.

• Elevato ingombro impossibilità di utilizzo nei sistemi ad alta densità di elettrodi

• Non integrabili in dispositivi wearable;

• Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione prolungata ecc.);

• Non riutilizzabili

SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI SECCHI

CARATTERISTICHE

• Materiale: Ag

• Supporto: gomma non conduttiva

• Costo per elettrodo: 5€;

• Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione;

• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata

densità di elettrodi);

• Tempi di setup ridotti;

• Riutilizzabilità.

• Alta impedenza elettrodo-cute (>100kΩ @50Hz) progettazione accurata del sistema elettronico per

segnali di buona qualità;

• Non integrabili in dispositivi wearable;

• Artefatti da movimento elevati dovuti a peso, e mancanza di adesione tra elettrodi a cute utilizzabili

solo in condizioni statiche;

Utilizzo principale: Valutazioni preliminari sul posizionamento di matrici o elettrodi

per il prelievo bipolare

• Bassa impedenza elettrodo-cute (decine di kΩ @50Hz) segnali di buona qualità

• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi);

• Artefatti da movimento ridotti per sistemi multi-canale (peso ridotto, buona adesione tra

elettrodi a cute) utilizzabili sia in condizioni statiche che dinamiche;

SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI FLESSIBILI

CARATTERISTICHE

• Diametro: 5-8 mm;

• Materiale: Ag

• Supporto: Kapton e foam adesivo;

• Pasta conduttiva posta tra elettrodo e cute;

• Costo per elettrodo: 0,2€;

• Non integrabili in dispositivi wearable;

• Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione

prolungata ecc.);

• Non riutilizzabili.

Utilizzo principale: Studio del sistema neuromuscolare in condizioni statiche e

dinamiche mediante tecniche di HD-sEMG

MATRICI DI ELETTRODI SU SUPPORTO TESSILE

CARATTERISTICHE

• Materiale: Ag

• Supporto: lycra elasticizzata

• Costo per elettrodo: 10€;

• Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione;

• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi);

• Applicazione per lunghi periodi;

• Integrabile in sistemi wearable;

• Riutilizzabilità.

• Alta impedenza elettrodo-cute (>100kΩ @50Hz)

progettazione accurata del sistema elettronico di

prelievo per segnali di buona qualità;

• Artefatti da movimento elevati dovuti a mancanza di

adesione tra elettrodi a cute e movimento relativo tra

elettrodi e cute durante contrazioni dinamiche;

Utilizzo principale: Studi che richiedono l’utilizzo contemporaneo di tecniche di

multi-canele e sistemi indossabili

CAVI DI COLLEGAMENTO

A COSA SERVONO?

• Collegano il sistema di prelievo (elettrodi) a quello di acquisizione

COME SONO FATTI?

• Sono costituiti da tanti conduttori quanti sono gli elettrodi da collegare al sistema di

acquisizione.

Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e

digitalizzazione

D2 D1

Cable C dW

M

M: Silicone rubber tube

CAVI DI COLLEGAMENTO

PROBLEMI

• Peso e ingombro elevato per sistemi di acquisizione ad alta densità;

• Artefatti da movimento dovuti a:

• Urti relativi tra i conduttori costituenti il cavo effetto triboelettrico;

• Urto tra cavi e sistema di prelievo;

• Ridotta mobilità del soggetto;

• Fungono da collettore di interferenza di rete e disturbi elettromagnetici

POSSIBILI SOLUZIONI

• Porre il sistema elettronico di acquisizione il più vicino possibile al soggetto (non praticabile nei sistemi

HDsEMG)

• Utilizzare cavi intrecciati e sonde attive per ridurre disturbi elettromagnetici e interferenza di rete aumento

della complessità e dei costi del sistema di prelievo;

• Non utilizzare cavi….

SISTEMA DI ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG

A COSA SERVE?

• Amplifica e condiziona i segnali EMG;

• Rigetta i disturbi comuni presente all’ingresso dell’amplificatore;

• Digitalizza i segnali amplificati;

• Trasmette tali segnali ad una unità di elaborazione e visualizzazione.

Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e

digitalizzazione

SISTEMI SMART PER L’ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG

CARATTERISTICHE

• Modularità;

• Configurabilità;

• Interoperabilità;

• Connettività wireless verso dispositivi mobili;

• Semplicità di utilizzo;

CONCLUSIONI

• Un sistema di acquisizione del segnale EMG è composto da blocchi che sono progettati in un

contesto integrato;

• Per acquisire segnali EMG di buona qualità è necessario utilizzare tecniche e tecnologie appropriate

a seconda del contesto di misura;

• L’utilizzo di sistemi di acquisizione e prelievo SMART può facilitare l’utilizzo integrato e

contemporaneo di diverse tecnologie (bipolare e HD) diminuendo i tempi di preparazione del setup

clinico/sperimentale.

HANDS-ON!!!